“光纤之父”高锟

2009年,香港中文大学原校长、中
国科学院外籍院士、华裔物理学家高锟获得了该年度的诺贝尔物理学奖。这位出生于中国上海的科学家,一生致力于光纤通讯研究,在世界范围内掀起了一场划时代的通讯革命,被誉为“光纤之父”。
接受中西教育
1933年11月4日,上海金山县(现金山区)一个传统的书香文人家庭诞生了一名男婴,他就是高锟。高家在这一带远近闻名,高锟的祖父高吹万是清末民初著名的爱国诗人;高锟的父亲在国内上过大学,后来又赴美学习法律,在获得法学博士学位后回到上海,成为一家专门审理外国人案件的特别法院的律师,并携妻儿定居上海。
高锟的父亲虽然留过洋,但骨子里依然坚守中国传统文化,他让高锟从小接受的是传统的私塾教育。直到1941年,高锟的父母才把他送进上海法租界里的一所特殊的小学——上海世界学校,这是一所由中国第一批留法归国知识分子创办的实验学校。由于高锟国文底子好,加上时年已8岁,于是一入学就上三年级。
入学没多久,珍珠港事件爆发,美国对日宣战,日本军队进入上海租界。高锟就读的小学除了正常的课业外,还被强迫开设日语课。小小年纪的高锟显示出强烈的爱国情结,几十年后,他在自传中回忆当年的情景:“……我们面对来自日本的日语老师,都毫不保留地显示出我们的民族精神。我们对他不理不睬,有时甚至把粉笔投掷到黑板上。”
这所有法国背景的学校在六年级就开设了化学实验课,高锟在学习中呈现出强烈的好奇心和独特的创造性,他和同学们自行制造氧气、氢气,还做了不少化学试验。有一次,他制作了一个“泥球”:将泥土湿搓成面粉状,然后将红磷和氯酸钾弄湿润后,塞进泥团里密封。遇到猫狗时,高锟和同学们便把这个“泥球”投向它们,爆炸声把这些家畜吓个半死。然而,对于这些实验的危险性,高锟全然不觉,反而因为实验成功而乐此不疲。
不久后,高锟就酿成了一个大错。他在哥哥的帮助下,自行制造硝酸银,准备用来自制胶卷。不料,意外溢出的酸性液体烧伤了哥哥的手,高锟的父母这时才发现他的种种“杰作”。从此之后,父母不准高锟再做危险的化学试验。高锟后来心有余悸:“当时我们手上的,足以毒害全城的人!”
不能再做化学试验后,不安分的高锟又对无线电着了迷,这次他得到了父母的支持。经过一段时间的摸索,屡败屡试后的他终于成功组装出了简易的收音机。这段经历无形地影响了他日后的研究方向,“这段往事令我感受
“光纤之父”高锟
文│彭 苏
高 锟
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走近大家
甚深,也可能在我心中埋下种子,日后萌发成对电机工程的兴趣”。
1948年底,高锟父亲带着全家移居香港。到了香港后,高锟进入圣约瑟中学就读。中学会考时,他以全港前十的成绩升上预科,准备报考香港当时唯一的一所大学香港大学。然而,一个问题摆在高锟面前,那就是当时香港大学的工程学系还没有为他钟情的电机工程配备好教员和设备。因此,他考虑再三,在父母的支持下,决定远赴英国伦敦大学的伍尔维奇理工学院(今格林威治大学)就读。1953年夏天,高锟启程前往英国。
1957年,经过四年的学习,高锟大学毕业,进入国际电话电报公司(ITT)在英国的子公司——标准电话与电缆有限公司工作,当工程师。进入公司后不久,高锟与祖籍广东的同事、华人工程师黄美芸结识,并谈起了恋爱。1959年,两人喜结连理。
“无心插柳”的研究
高锟进入标准电话与电缆有限公司时,正是世界电讯事业兴起之时,全世界对传送大量信息甚至活动影像的需求日渐迫切。在这样的背景下,高锟全情投入到开发新一代电讯设备的工作中,并很快为公司做
出了成绩。
1960年,为了寻求更大的发展空间,高锟决定跳槽,他“在标准电话与电报,本着初生之犊的冲动,对产品开发也已掌握实际的经验”,“对改善微波点到点传送系统的缓慢步伐和所面对的限制,开始感到不耐烦”。高锟相信,有了这三年的工作经验,自己已经完全了解当时的技术,是时候改变一下工作环境了。
高锟准备跳槽到一所大学,任电机系的讲师,他很快收到学校寄来的聘书。他和妻子都为即将改变的生活环境感到兴奋,甚至提前在学校附近选中了一处独立的小平房,交纳了一笔可观的订金,准备很快搬过来。
但当高锟把辞职信交到上司的手里时,上司却不同意,说他更应该从事研究工作而不是学术工作,只要他留下来,公司准备把他安排到标准电讯研究实验所新兴的光通讯研究计划中。原来,1960年,激光问世,标准电话与电报公司敏感地意识到光通讯研究的巨大前景,早在发明激光的前两年就展开了具有前瞻性的光通讯计划研究。
为了挽留高锟,公司专门派出律师,为他索回那笔房屋订金,还与那所高校商量,承担了高锟违约的赔偿费用,最后,实验所甚至答应给高锟的妻子黄美芸也安排一份工作——面对如此优厚的条件,高锟答应留下。
光的全内反射现象早在19世纪中期就由西方科学家发现了。19世纪末,美国发明家贝尔进一步证实了这一现象,但由于空气作为光线传播的介质,本身就会带来很大的衰减,光线传播了一段距离后强度变得很弱,因此没有实用价值。此后,一些科学家也陆续发现了多种传播介质,可以让光线在其中转弯,但衰减的问题并没有得到解决。
高锟开始从事光通讯研究。当时,以35吉赫环形波导管为基础的长程传送系统已发展成熟,先进国家如美国的电讯公司还准备研究推出视像电话服务,这在当时可是轰动世界的科学技术。美国电话与电报(AT&T)在1960年代率先推出试验系统,让其它国家为之歆羡。而1960年才问世的激光还处于发展初期,只在全球一两家研究所中进行过试验。在技术成熟的环形波导管面前,光通讯研究远远处于下风。
即便面对这样的困境,高锟依然不愿意放弃对光通讯的研究,更不愿意平白错失机会:“怎可以那么快便断定激光没有可为?我们为什么不可以给光波一种合适的波导管?如果光通讯只停留在理论的阶段,实在太可惜了。”他为这项研究设定了一个期限,“如果在一两年内仍不出答案,也许光通讯的意念大可以丢进垃圾桶里去”。世界通讯业界也看到了光通讯的前景,认为有必要提高传送频宽,实现宽频通讯。激光如果能成为新的讯息载体,讯息容量将比点到点的微波传送系统提高100万倍。高锟在前辈和管理层的引导和支持下,下功夫研究光通讯系统。
设想成真
1963年,高锟进行了开放空间的氦氖激光传送试验,将激光引导至若干距离外的一个点上,发现空气的不同密度会扭曲在大气中传
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送的激光。之后,高锟对各种非导体纤维进行仔细的实验,他发现,光学讯号衰减率低于一定程度时,光束通信便可行。接下来的两年,他不断尝试,终于通过实验分析发现,纯净的石英玻璃有可能满足衰减率最少的需求。
1966年7月,英国电机工程师学会学报发表了高锟的题为“介电波导管的光波传送”的论文,后来这个日期也被视为光纤通讯诞生的日子。在这篇论文中,高锟首次提出了一个崭新而大胆的观点:只要解决好玻璃纯度和成分等问题,就能利用玻璃制作光学纤维,从而高效地传输信息。
高锟的这一理论和设想提出后,并未引起多大的反响,一些专家教授认为他的设想匪夷所思,一些人更嘲笑他“痴人说梦”。玻璃这类透明材质中的杂质,是造成衰减率过大的主要原因,当时根本无法解决玻璃纯度和成分等问题,换句话说,当时还没有哪家玻璃企业能生产出符合高锟要求的光导纤维。
高锟跑遍了世界各国知名的玻璃生产企业,包括当时玻璃生产工艺最为先进的日本企业。然而,几乎所
有大企业都不愿花费高昂成本来研究高锟所需的超纯净玻璃纤维,他们关心的是生产成熟而有利润的玻璃产品。在这种情况下,高锟只得与公司的研发部门一起,探讨研制可行的高纯度玻璃制造工艺。
后来,高锟接触到美国康宁公司,康宁公司对高锟的这项研究产生了兴趣,在高锟的启发下,开始独立的研究。1970年,康宁公司宣布,已生产出损耗率低于20分贝每公里的试验性单模光导纤维。虽然这种试验性的单模光导纤维没什么实用价值,但康宁公司打开了合格光纤的一扇窗口,由此开启了光纤通信时代。
1971年,世界上第一条1公里长的光纤问世。10年后,世界上第一个光纤通讯系统正式启用。高锟预言的光纤通讯终于得到实践的验证。
1982年,高锟因卓越的研究与管理才能,被国际电话电报公司任命为首位“ITT执行科学家”。他还兼任德国的研究职位和美国耶鲁大学的教职。此时的高锟已成为世界光纤通讯业界影响力最大的人物,“光纤之父”的美名传遍世界。在之后的岁月中,高锟和他的研究团队在电磁波导、陶瓷科学(包括光纤制造)等方面,先后获得过多项专利。正是由于他和他的团队,以及各国光通讯公司取得的一系列成果,使得光缆通讯造福全世界。
很多人都认为,功就名成的高锟肯定已经成为巨富,然而,情况却不是这样,“在光纤的研究上,我是先行者之一,但最终产品的专利权,却没有为我带来分文。许多人都问我相同的问题而且同样认为,‘噢,
你一定很富有了,他们一定给你很多专利税。’”国际电话电报公司虽然给了他很高的回报,让他成为公司里华人中薪酬最高的职员,但高锟更在意的是,公司多年来给他修筑的科研平台和持续不断的资金投入。没有这一切作为前提,他不可能成为世界光纤通讯业界的泰斗。
尾 声
1987年,高锟成为香港中文大学第三任校长。他要求要容许师生自由探索学术,强调要把香港中文大学发展为“世界的本地大学”,把“追求卓越”当成学校继往开来的目标。在他的管理下,香港中文大学增设了工程学院、教育学院及多间研究所;新开设多个本科及研究院课程;并在香港各大学中率先接通全球互联网,成为世界上最有影响力的高等学府之一。
与此同时,高锟在光纤领域的研究成果连续获得了一系列科学上的荣誉。1996年,为表彰高锟的杰出贡献,中国科学院紫金山天文台将一颗我国在1981年发现的小行星命名为“高锟星”。
2009年,76岁的高琨获得该年度的诺贝尔物理学奖。遗憾的是,这项大奖来得太迟了些——6年前,高锟已患上老年痴呆症。高锟在妻子黄美芸的陪伴下,出席了颁奖典礼。由于病情,大会进行了特别安排:高锟被免除走到台中领奖、鞠躬三次的传统领奖礼仪。瑞典国王卡尔十六世·古斯塔夫破例亲自走到高锟面前为他颁奖。黄美芸代替高锟发表感言,现场的人们无不动容。
2018年9月,高锟在香港逝世。斯人已逝,他的科学成果却依然无时不在造福世界。
(作者系第十、十一届贵州省政协委
员,文史学者)
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